Drehtürprojekt Naturwissenschaften
Im Schuljahr 2021 / 2022 haben die Schülerinnen und Schüler, die am Drehtürprojekt Naturwissenschaften teilgenommen haben, auf mehreren Gebieten intensiv gearbeitet.
Fünf Schüler aus verschiedenen Schulzweigen und Jahrgängen der KGS Bad Münder, haben am bundesweit ausgeschriebenen 19. Internationalen Junior Science Olympiade 2022 erfolgreich teilgenommen. Alle fünf haben sich, aufgrund guter Leistungen, sogar für die zweite Auswahlrunde qualifiziert. Ein herausragendes Ergebnis erreichte dabei Bjarne, der in seiner Altersklasse Bundesweit den 4. Platz in der 3. Runde erreicht hat.
Ein weiterer Schwerpunkt in diesem Jahr war das Thema Energiewende. Besonders Samuel hat sich auf diesem Gebiet engagiert.
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Schülerarbeiten kurz vorgestellt.
Die 19. Internationale JuniorScienceOlympiade 2022
Bjarne, Justin, Lukas, Tristan und Jonas haben in der ersten IJSO-Runde mehrere Experimente zum Thema „Hör mal!“ durchgeführt, ausgewertet und protokolliert.
Die Aufgaben sind unter folgendem Link abrufbar:
www.scienceolympiaden.de/ijso/ijso-material-aufgaben/aktuelle-aufgaben-download
Die Schüler haben beispielsweise experimentell ermittelt was bei der Zubereitung von Popcorn passiert, ein Modell für die Schallübertragung im menschlichen Gehörgang gebaut, erforscht wie man ein Glas zum „Singen“ bringen kann und dabei haben sie Erfahrungen mit Phyphox als Messinstrument gesammelt.
Beispiele aus den IJSO-Schülerarbeiten
Experimente zum Thema Popcorn-Erzeugung und Nachweis von Stärke in Popcorn mit Hilfe von Lugol´scher- oder Betasoidona-Lösung
Links: Maiskorn-Längsschnitt ungefärbt
Rechts: Maiskorn-Längsschnitt nach dem Eintauchen in Lugol´scher Lösung
Popcorn-Flocke nach dem Eintauchen in die Betasoidona Lösung –
Schalenreste haben sich nicht gefärbt
Beobachtung (gilt für alle Bilder): Schale und Keimling sind nach dem Kontakt mit Lugol´scher- oder Betasoidona-Lösung nicht gefärbt, im Mehlkörper sind an mehreren Stellen blau-violette Verfärbungen zu sehen.
Lugol´sche Lösung enthält ca. 5g Iod, 10g Kaliumiodid und 85gl Wasser auf 10ml Lösung.
Betasoidona enthält 10 g Povidon-Iod mit einem Gehalt von 11% verfügbarem Iod, also 1,1 g Iod auf 100 ml Lösung.
Betasoidona-Lösung eignet sich auch für den Nachweis von Stärke, weil in beiden Lösungen Iod enthalten ist. Betasoidona enthält weniger Iod als die Lugol´sche Lösung, die Iod-Menge reicht aber aus um die Färbung zu bewirken.
Beschreibung der biologischen Funktion der Maiskorn-Bestandteile:
Die Schale
Die äußere Schicht des Korns, die Oberhaut ist zugleich sein Schutzmantel und hält die Frucht zusammen. Darunter legen weitere Frucht- und Samenschalen, die die für Menschen wichtige Vitamine und Mineralstoffe enthalten.
Der Mehlkörper (enthält Stärke)
Der Mehlkörper dient dem Getreidekorn als Wertvoller Nährstoffvorrat, aus dem der junge Getreidekeim beim Wachsen seine Nahrung bezieht, bis er über Wurzeln und Blätter selbst Nährstoffe aufnehmen und bilden kann. Die Aleuronschicht umgibt den Mehlkörper.
Der Keimling (enthält Proteine)
Im Inneren der Bohne befinden sich Keimwurzel, Keimstängel (auch Keimspross) und Keimblätter. Diese Bestandteile des Samens gehören zum sogenannten Keimling, der auch als pflanzlicher Embryo bezeichnet wird. Dabei versorgen die Keimblätter den Keimling mit den ersten notwendigen Nährstoffen.
Mit Iod färbt man die Stärke im Mehlkörper. Die Schale und der Keimling werden nicht gefärbt, weil sie keine Stärke enthalten.
Bei der Herstellung von Popcorn-Flocken passiert folgendes:
Durch die Hitze wird das im Maiskorn enthaltene Wasser gasförmig und dehnt sich aus. Dadurch steigt der Druck im Inneren an, bis die feste Kornhülle platzt. Das Popcorn gibt ein lautes „Pop“-Geräusch von sich und springt im Topf in die Höhe. Währenddessen dehnt sich die vom Wasserdampf aufgeblähte Maisstärke weiter aus und bildet die schaumstoffartige Masse des fertigen Popcorns.
Bei Experimentieren haben die Schüler Modelle gebaut um den Weg des Schalls durch das menschliche Ohr zu verdeutlichen:
Beobachtungen:
- Wenn man in die Hände klatscht, dann bewegt sich die Folie.
- Und auf der Wasseroberfläche bilden sich Wellen-Ringe mit dem Teelichthalter als Mittelpunkt.
- Trommeln und Topf Schlagen haben eine weniger starke Auswirkung als Klatschen, denn nun entstehen nur leichte Wellen im Wasser. Wenn man die untere Seite der Trommel in Richtung Backform hält, dann sind die Wellen etwas stärker, aber nicht so stark wie beim Klatschen.
- Pfeifen und Singen haben keine sichtbaren Auswirkungen auf die Folie oder auf die Wasseroberfläche.
Begründung der Beobachtungen: Beim Klatschen wird ein starker, plötzlicher Luftdruck erzeugt, dadurch bewegt sich die Folie und die Bewegung wird über den Strohhalm auf die Wasseroberfläche übertragen. Beim Pfeifen und Singen reicht der Luftdruck nicht aus um die Folie zu bewegen.
Tabelle mit Bezeichnung und Funktion:
| Name | Funktion | |
| A | Außenohr | Nimmt Schallwellen auf |
| B | Mittelohr | Leitet Schallwellen vom Trommelfell zum Innenohr |
| C | Innenohr | Übersetzt Schallwellen in elektrische Impulse |
| 1 | Ohrmuschel | Nimmt Schallwellen auf |
| 2 | Trommelfell | Wird durch Schallwellen in Schwingung gesetzt und überträgt die Schwingungen auf die Gehörknöchelchen |
| 3 | Gehörknöchelchen (Hammer) | Überträgt Schwingungen auf das Innenohr |
| 4 | Gehörknöchelchen (Amboss) | Überträgt Schwingungen auf das Innenohr |
| 5 | Gehörknöchelchen (Steigbügel) | Überträgt Schwingungen auf das Innenohr |
| 6 | Hörschnecke | In Flüssigkeit gebettete Nervenzellen übersetzen die Schwingungen in elektrische Impulse |
| 7 | Hörnerv | Leitet Informationen ans Gehirn weiter |
Zuordnung der Bauteile des Mittelohr-Modells den Bestandteilen des menschlichen Ohrs:
| Mittelohr-Modell | Entsprechung im menschlichen Ohr |
| Springform-Ring | Ohrmuschel |
| Gespannte Folie | Trommelfell |
| Karteikarten-Dreieck | Hammer |
| Strohhalm | Amboss |
| Teelichthalter | Steigbügel |
| Wasser | Hörschnecke mit Flüssigkeit |
An folgender Stelle ist das Modell zu sehr vereinfacht:
- Bei der Übertragung des Schalls in das Innenohr wird der Ton im Modell nicht verstärkt da im Modell keine „Nervenzellen“ sind, die den Ton weiterleiten.
- Die Bogengänge und die Gehörknöchelchen und sind viel komplexer gebaut im menschlichen Ohr und sie miteinander nicht fest verklebt sind (wie im Modell), sondern beweglich.
Eine weitere Bauphase lieferte eine Klangdose, die mit Amaranth-Körnern Klangfiguren erzeugen konnte wobei die Töne mit der Phyphox-App gemessen wurden
Beobachtungen mit dem Finger auf der Membran:
- Beim Pusten ins Schallloch: Die Membran wölbt sich nach außen.
- Bei U-Lauten: Die Membran vibriert. Je höher der Ton, desto weniger vibriert sie.
Beim Pusten entsteht ein Druck in der Dose, deswegen wölbt sich der Luftballon und bei den U-Lauten bewegt sich die Luft hin und her in der Dose, deswegen vibriert der Luftballon.
| Messwerte aus Phyphox: | Periode (ms) | Frequenz (Hz) | Note (Musik) | Cent über Note |
| Tiefster U-Laut | 3,90 | 256,08 | C4 | -37,07 |
| Höchster U-Laut | 1,25 | 798,06 | G5 | 30,79 |
| von der Dose besonders gut verstärkt – 1. Beispiel | 1,51 | 662,99 | E5 | 9,77 |
| von der Dose besonders gut verstärkt – 2. Beispiel | 1,96 | 509,45 | C5 | -46,28 |
| von der Dose besonders gut verstärkt – 3. Beispiel | 2,59 | 385,68 | G4 | -28,11 |
| von der Dose besonders gut verstärkt – 4. Beispiel | 3,38 | 295,87 | D4 | 12,95 |
Erklärung für die Verstärkung (unter Verwendung der Begriffe Schallwelle, Amplitude, Frequenz und Resonanz):
Zum Verstärken einer Schallwelle wird ein Resonanzkörper benötigt (bei uns die Klangdose). Ein Resonanzkörper verstärkt den Ton indem er eine Resonanz bildet. Die Resonanz besteht aus einer Frequenz die die Schallwelle verstärkt. Und eine Schallwelle ist das was wir hören.
Die Verstärkung ist dann am stärksten, wenn der U-Ton möglichst so ist wie die eigene Resonanzfrequenz der Klangdose.
Beobachtungen beim Erstellen der Klangfiguren mit Amaranth-Körnern auf der Membran:
- Vor dem Hineinpusten mit U-Lauten liegen die Amaranth-Körner gleichmäßig auf dem Luftballon-Membran verteilt.
- Je kräftiger man U-Laute in die Dose hineinsingt, desto höher springen die Körner auf der Membran.
- An einigen Stellen bleiben die Körner liegen (sie springen nicht) weil sich dort Schallwellen überlagern und sich aufheben.
- Je nachdem wie hoch der U-Ton ist ergeben sich verschiedene Körner-Muster nach dem Hineinpusten.
Fotoserien von der Membran mit Amaranth-Körnern zu den Klangfiguren:
Fotos vor Tonerzeugung:
Beispiele für Fotos nach Tonerzeugung:
G5:
C4:
Vergleich:
Gemeinsamkeiten zwischen unser Experiment und den chladnischen Klangfiguren:
- Beide haben eine Plattform auf der die Klangbilder entstehen
- Bei beiden wurden Klangfiguren gebildet mit Hilfe von Schallwellen
- Bei beiden wurde kleinkörniges Material (z.B. Amaranth, Sand oder Grieß) verwendet um die Klangfiguren zu ermöglichen.
Unterschiede zwischen unser Experiment und den chladnischen Klangfiguren:
- In unserem Experiment war die Tonerzeugung nicht elektrisch.
- Es war anstrengend in den Resonanzkörper hinein zu singen.
- Bei den chladnischen Klangfiguren ist die Platte aus Metall und in der Mitte befestigt. Bei unserem Experiment ist die Platte eine Membran aus Luftballon die am Rand befestigt ist.
- Bei den chladnischen Klangfiguren gibt es kein Resonanzkörper.
Beim folgenden Experiment haben die Schüler ein Weinglas zum Klingen gebracht und die erzeugten Töne mit der Phyphox-App erforscht
Maße des Glases:
- Höhe: 18 cm
- Breite / Durchmesser (an der breitesten Stelle): 8 cm
- Volumen: 0,4 l (+0,1 l) = 0,5 l
- Gewicht (ohne Wasser): 173 g
Tabelle mit den Messwerten:
| Wasser (in Gramm) | Periode (in ms) | Tonfrequenz (in Hz) |
| 0 | 1,51 | 663,69 |
| 50 | 1.51 | 662,28 |
| 100 | 1,52 | 656,01 |
| 150 | 1,56 | 642,72 |
| 200 | 1,6 | 625,96 |
| 250 | 1,67 | 599,19 |
| 300 | 1,8 | 555,67 |
| 350 | 1,99 | 503,04 |
| 400 | 2,31 | 432,34 |
| 450 | 2,73 | 366,34 |
| 500 | 3,21 | 311,96 |
Beobachtungen:
- Erst nach mehrmaligem Kreisen auf dem Glasrand erklingt ein Ton.
- Das Glas macht unterschiedliche Töne, je nach Wassermenge im Glas.
- Wenn mehr Wasser im Glas ist, dann ist der Ton tiefer.
- Im Wasser sind mehrere Wellensignale zu sehen.
- Wenn das Glas fast voll ist, springt das Wasser leicht und es ist schwer ein Ton zu erzeugen.
Wenn das Glas klingt, kann man folgendes beobachten:
- Im Wasser sind kleine Wellensignale zu sehen.
- Die kleinen Wellen beginnen außen an der Glaswand.
- Je deutlicher der Ton ist, desto Wasseroberfläche ist von den Wellen bedeckt.
- Wenn das Glas fast voll ist, springt das Wasser sogar leicht.
Die physikalische Erklärung dafür ist:
Durch die Reibung mit dem Finger wird das Glas in Schwingung versetzt. Das schwingende Glas erzeugt den Ton und die Wellen auf der Wasseroberfläche. Wenn viel Wasser im Glas ist, dann muss mehr Masse bewegt werden, bei wenig Wasser im Glas muss weniger Material bewegt werden. Bei viel Wasser im Glas, ist die Schwingung deswegen langsamer. Die Frequenz ist die Anzahl der Schwingungen in einer Sekunde, je kleiner die Frequenz ist, desto tiefer ist der Ton.
Die Wasserwellen, die von der Glaswand erzeugt werden, werden auch von der Glaswand reflektiert (weil das Glas rund ist). So entsteht eine stehende Welle auf der Wasseroberfläche.
Tabelle für die Frequenzen der Töne einer Klaviatur:
| Ton auf der Klaviatur | Frequenzen der Töne in Hz |
| c´ | 261,63 |
| d´ | 293,66 |
| e´ | 329,63 |
| f´ | 349,23 |
| g´ | 392,00 |
| a´ | 440,00 |
| h´ | 493,88 |
| c´´ | 523,25 |
Masse Wasser im Glas in Abhängigkeit von der Frequenz:
Aus der Grafik kann man folgende Werte ablesen:
| Ton auf der Klaviatur | Frequenzen der Töne (in Hz) | Wasser-Masse (aus der Grafik) |
| e´ | 329,63 | 475 |
| a´ | 440,00 | 400 |
| c´´ | 523,25 | 325 |
Am Ende der ersten Runde haben die Schüler die Gelegenheit gehabt, eigene Forscherfragen zum Thema zu formulieren, hier sind einige Beispiele:
- Könnte man die Klangdose als Stimmgerät für eine Gitarre verwenden?
- Warum funktioniert die Gleichgewichtsflüssigkeit auch unter Wasser?
- Was passiert mit dem Gehirn bei einem Knalltrauma?
- Könnte man eine Waffe bauen mit der man mit Tönen schießt und dadurch z.B. angreifende Tiere, wie Wölfe, vertreiben kann ohne sie zu verletzen?
- Warum sind Autos so laut bei Fehlzündungen.
- Könnte man mit hydraulischem Druck Töne übermitteln?
- Wie funktionieren Hörgeräte?
Für die zweiten IJSO-Runde haben sich alle fünf Schüler qualifiziert. Diese wurde als Multiple-Choice-Test durchgeführt und enthielt Aufgaben aus den Bereichen Biologie, Chemie und Physik.
In dieser Runde waren die Anforderungen durch das breite Spektrum der Fragen besonders hoch, das Niveau reichte weit über den Schulunterricht hinaus.
Die Aufgaben für die zweite Runde werden zu einem späteren Zeitpunkt auf der IJSO-Homepage im Aufgabenarchiv veröffentlicht.
Bjarne, der sogar die dritte IJSO-Runde besonders gut gemeistert hat, musste eine Klausur schreiben, deren Aufgaben ebenfalls aus den Bereichen Biologie, Chemie und Physik stammen.
Für ihre besonders guten Leistungen, haben die Schüler Urkunden von der Internationalen JuniorScienceOlympiade erhalten.
Weitere Aktivitäten im Bereich naturwissenschaftliche Begabtenförderung an der KGS Bad Münder:
Mehrere Schülerinnen und Schüler haben erfolgreich an verschiedenen naturwissenschaftlichen Wettbewerben, wie „Physik im Advent“ und „Mathe im Advent“ teilgenommen.
In Kooperation mit dem Begabtenverbund fanden die Talentetage in Hameln statt. Liska, Kira, Ben, Phil, Bastian und Tessa aus dem 5. Jahrgang haben sehr erfolgreich daran teilgenommen.
